區熔單晶生長過程中高頻線圈形變的原因分析及理論計算

劉洪

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220)

區熔硅單晶是電力電子器件，大功率高壓元件的關鍵材料。高純的區熔硅單晶是制作各種探測器、傳感器的關鍵原材料。探測器和傳感器是工業自動化的關鍵元器件，被廣泛應用于光探測、光纖通訊、工業自動化控制系統中以及醫療、軍事、電訊、工業自動化等領域。擁有極大的市場空間。以及高效太陽能電池領域。隨著經濟的發展，區熔硅單晶的市場需求量越來越大。但是區熔硅單晶的規模化生產過程中，保持較高的成晶率是所有生產部門追求的目標。要保持單晶的高成晶率，必須具備較完備的適合單晶生長的工藝條件和完美的熱場。本文對使用CGS區熔爐生長單晶時，發現的熱場條件缺陷，進行了原因分析及理論計算，并針對性地提出改進措施，以保證單晶順利生長。

1 單晶生長過程中線圈的形變

單晶生長過程中，經過一定時間的運行，高頻線圈經常出現機械變化，影響單晶的正常生長。通過進一步的精確測量發現：

（1）線圈兩電極之間縫隙減小；

（2）線圈整體自行發生逆時針偏轉，形成單晶與線圈的軸中心不對稱及線圈水平面的扭曲變化。通常線圈發生偏轉后，線圈的中心與軸的對稱度偏離超過1 mm，即線圈與單晶錠不在一個同心軸上，而線圈的水平面發生傾斜，扭曲嚴重時線圈下坡面的角度從左邊9.5°至右邊6.5°逆時針減小，兩側邊緣高低相差2～3 mm，與單晶錠的軸心不垂直，形成了一定的夾角。改變了原有沿中心軸成軸對稱的磁場，偏離了單晶生長條件的原設計要求。

2 線圈的形變對生長單晶的影響

正常生長單晶時，要求高頻熱場均勻、平整、軸中心對稱，利于單晶的正常結晶。平衡狀態下線圈如圖1。圖形上部分為線圈截面圖，下面成軸對稱的折線代表線圈產生的磁場強度由外而內先升高再降低分布，但是軸中心兩側是對稱的。由于線圈外形上不規則的扭曲變化及線圈逆時針轉動的綜合作用，降低了線圈的水平度和中心的對稱度，嚴重破壞了線圈原有設計的對稱均勻的熱場。

圖1 平衡情況下線圈截面圖

正常生長的單晶沿垂直于線圈中心點的軸逆時針自傳（如圖2）。對稱的磁場使單晶上的同一點始終接受到相同強度的磁場。由于線圈成一定角度變形，水平度變差，所以越是遠離中心點，在同一水平面上磁場變化越大。使大直徑單晶在旋轉到不同位置時吸收的磁場強度產生周期性的變化，同一點上的單晶生長速度成周期性的變化，大大增加了單晶生長過程中回熔和局部過冷機會，導致單晶邊緣溶液周期性不飽滿，而內部應力過大產生位錯，使得單晶中途斷苞變晶。而且單晶的直徑越大，影響越大。

圖2 單晶生長圖

3 線圈形變的原因分析

3.1 線圈受力分析

線圈安裝時，被兩個銅螺釘固定在同心中軸上。固定線圈的螺釘在擰緊過程中發生彈性形變，在摩擦力的作用下螺釘達到暫時平衡狀態。而在單晶生長過程中，螺釘所吸收熱量通過線圈傳給冷卻水，螺釘與線圈之間產生正的溫度梯度。螺釘與線圈用相同材料制作，熱膨脹系數相等。從而導致螺釘線性膨脹量大于線圈，導致壓力減小，摩擦力產生的力矩減小。平衡狀態被打破。而變形的螺釘復原過程中將帶動線圈同時逆時針轉動，線圈在兩個螺釘不同軸的扭矩下將產生特定變形，而線圈的偏轉量也與扭矩成正比。在長時間的外力及高溫環境下線圈的塑性變形逐漸加大。經過測量線圈及多次開爐試驗，判斷與實際情況完全相符。

3.2 偏轉角度計算

計算在固定線圈過程中螺釘所產生的扭曲變形。總的旋轉角度為θ，螺釘上產生變形的兩部分半徑分別為R1=0.625cm，R2=0.4cm，長度L1=0.8cm，L2=1.4cm，

其中：M為力矩，剪切模量G=408000 kgf/cm2，θ1r剪切應變。

解方程(1)(2)(3)可得出力矩M與螺釘偏轉角度的關系：

換算成角度為1.6°。實際生產中線圈偏轉角度為0.8～1.4°，考慮到形變不可能完全恢復，結果與實際生產完全符合。

由于線圈在爐內使用過程中，一直因受到外力成扭曲變形狀態，而線圈的部分位置要承受很高的溫度。因此長時間使用的線圈將發生塑性形變，線圈不能在使用后完全恢復原狀。

而隨著使用次數的增加，塑性扭曲變形將增大，致使在相同的外力環境下所發生的變形將越來越大，最終嚴重地影響單晶的生長。并使得線圈報廢。

3.3 改進方法

通過選用熱膨脹系數極低的新材料制作新螺釘。在單晶生長過程中，螺釘的膨脹量小于線圈，線圈與螺釘之間的壓力增加，使平衡狀態得以維持，可以減低線圈在單晶生長過程中的形變。

4 結 論

高頻線圈在使用過程中，由于多種原因，發生形變是經常出現的，如果形變嚴重，會大大降低單晶生長的成功率。了解了線圈發生形變的原因，采取有效的措施，減少形變的因素，可以降低線圈形變發生的機會。本文在消除了線圈在開爐過程中的自偏轉現象，大大降低了單晶的斷苞幾率，極大地提高了成品率。同時，也大大延長了線圈的使用壽命。